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论文题目：含有凹坑表面损伤管线疲劳定量规律研究 专业：材料加工工程 硕士生：陈美宝( 签名) ：醴：筵垒 指导老师：王荣( 签名) 摘要 石油、天然气输送管线在运输、施工和维修过程中，因一些随机因素不可避免地会 产生一定的机械损伤，如凹坑、划槽。这些机械损伤部位在输送内压等波动压力下会产 生疲劳破坏，造成石油、天然气输送管线的失效或泄漏和难咀估量的经济损失。 本文应用预拉伸变形来模拟凹坑引起的材料局部的塑性变形，采用电位法来测量疲 劳裂纹长度，通过大量的试验对x 6 0 管线钢疲劳寿命定量规律进行了系统的研究。研究 表明：循环载荷中，x 6 0 管线钢的裂纹扩展主要受裂尖应力强度因子幅k 的控制；不同 应力比r 下，x 6 0 管线钢的裂纹扩展呈明显的门槛值特征，随着循环载荷应力比的升高， 裂纹扩展的门槛值降低；随着预拉伸变形量的增大，x 6 0 管线钢的疲劳裂纹扩展系数b 增大，而疲劳裂纹扩展门槛值翰。降低，从而加速了疲劳裂纹扩展，对材料的疲劳抗力 其损伤作用；疲劳裂纹起始是由切口根部材料元的断裂引起的：随着预拉伸变形量的增 大，x 6 0 管线钢的应变硬化系数减小，从而增大了材料的疲劳裂纹起始抗力系数c 和疲 劳裂纹起始门槛值。 本文还对预拉伸变形对x 6 0 管线钢拉伸性能的影响进行了试验研究，发现预拉伸变 形增大了x 6 0 管线钢的屈服强度、抗拉强度，降低了材料的塑韧性，呈现明显的加工硬 化现象。 在以上理论分析与实验研究的基础上，本文建立了不同凹坑几何时裂纹扩展速率的 量化模型和疲劳裂纹起始的量化模型，建立了机械损伤管线的疲劳寿命预测模型，提出 含有机械损伤管线疲劳寿命的估算模型和基本步骤。 关键词：疲劳裂纹扩展预拉伸变形 x 6 0 管线钢裂纹起始 论文类型：应用研究 本文得到中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室基金项目 ( n o z y t 0 2 0 1 ) 的资助。 s u b j e c t ：i n v e s t i g a t i o no nt h ef a t i g u eb e h a v i o r o fl i n ep i p e s s u b j e c t e dd e n t sd a m a g e m a j o r ：p r o c e s s i n ge n g i n e e r i n go f m a t e r i a l n a m e ：c h e nm e i b a 。( s i g a t u r e ) 丑也五幽 i n s t r u c t o r ：w a n gr 。g ( s i g n a t u r e ) 世坠虻鱼群 a b s 。i 至l a c 。i 。 t h eo i la n d g a sl i n ep i p e sa r eu n a v o i d a b l ym a d es o m em e c h a n i c a ld a m a g es u c ha sd e n t s a n dg o u g e sb e c a u s eo fs o m es t o c h a s t i cf a c t o r sd u r i n gt r a n s p o r t ，w o r ko rm a i n t e n a n c e t h e f a t i g u el o s ec a nb eh a p p e n e da tt h ep a r t sw i t hm e c h a n i c a ld a m a g eu n d e rt h ef l u c t u a t i n gl o a d f o r m e db yt h ec o n v e yp r e s s u r ee ta l ，w h i c hc a r lm a k et h eo i la n dg a sl i n ep i p e sl o s eo rl e a p i n g a n dm a k eu n t h i n k a b l ee c o n o m i c a l l o s e i nt h i sp a p e r ，p r e t e n s i o nd e f b r m a t i o ni su s e dt oi m i t a t et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ep a r t o fm a t e r i a lc a u s e db yt h ed e n t sa n dt h ee l e c t r i cm e t h o di su s e dt om e a s u r et h ed i s t a n c eo ft h e f a t i g u e c r a c k t h e f a t i g u e b e h a v i o ro fl i n ep i p e ss u b j e c t e dd e n t sd a m a g ei ss y s t e m a t i c a l l y s t u d i e dt h r o u g hal o to f e x p e r i m e n t s i ts h o w st h a tt h ec r a c kp r o p a g a t i o no f x 6 0p i p e l i n es t e e li s m a i n l yc o n t r o l l e db yt h e c r a c k t i p s t r e s s i n t e n s i t yr a n g e ki nc y c l i c a l l o a d t h ec r a c k p r o p a g a t i o np r e s e n t se v i d e n tt h r e s h o l dc h a r a c t e r i s t i cu n d e rd i f f e r e n ts t r e s sr a t i o nr t h ec r a c k p r o p a g a t i o nt h r e s h o l dv a l u ed e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s eo frw i t ht h ei n c r e a s eo fp r e t e n s i o n d e f o r m a t i o ndi n c r e a s e ，t h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nc o e f f i c i e n tbi n c r e a s e s ，b u tt h ef a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o nt h r e s h o l da 墨hd e c r e a s e s ，c o n s e q u e n t l y t h e f a t i g u ep e r f o r m a n c e o ft h e m a t e r i a li sd e g e n e r a t e d t h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o n i sc a u s e db yt h eb r e a ko ft h em a t e r i a l e i e m e n to nt h eb o t t o mo ft h ei n d e n t a t i o n w i t h 占i n c r e a s e ，t h es t r a i nh a r d e nc o e f f i c i e n to f t h e x 6 0 p i p e l i n es t e e ld e c r e a s e s ，w h i c h i n c r e a s e st h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o nr e s i s tc o e f f i c i e n tc a n d a t i g u ec r a c k i n i t i a t i o nt h r e s h o l d t h i sp a p e ra l s oc a r r i e so u te x p e r i m e n t a lr e s e a r c h0 1 2t h a tw h a t c a np r e t e s i o nd e f o r m a t i o n d ow i t ht h et e s i o np r o p e r t y t h er e s u l ts h o w s t h a tt h ei n c r e a s eo ft h ep r e t e s i o nd e f o r m a t i o nc a l l i n c r e a s e st h ey e l i ds t r e n g t h ，t e n s i o ns t r e n g t ha n dd e c r e a s e st h ep l a s t i ca n dt o u g h n e s so ft h ex 6 0 p i p e l i n es t e e l i to b v i o u s l y s h o w so u tt h ep h e n o m e n o no f t h ew o r k - h a r d e n o nt h eb a s i so fa b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h em a d e l so ft h ec r a c kp r o p a g a t i o na n dt h ec r a c k e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，t h i sp a p e rb u i l d s i n i t i a t i o no nt h ed i f i e r e n td e n td a m a g e ，a l s o b u i l d st h em a d e lo fc a l c u l a t et h ef a t i g u el i f eo ft h em e c h a m i c a ld a m a g e dl i n e sa n dp u t sf o r w a r d t h es t e p so fh o wt oc a l c u l a t et h ef a t i g u el i f e k e y w o r d s ：f a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n p r e t e n s i o nd e f o r m a t i o n x 6 0 p i p e l i n e s t e e lc r a c ki n i t i a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y t h i s p a p e r i s s u p p o s e db yt h e f u n di t e m ( n o z y t - 0 2 0 1 ) o ft h ek e yl a b o r a t o r y f o r m e c h a n i c a la n de n v i r o n m e n t a lb e h a v i o ro f t u b u l a rg o o d s ，c n p c y6 0 5 4 6 l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：锺菱鱼!日期：幽生叁皿! 塑 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以 任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发 表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然 为西安石油大学。 论文作者签名：滥! 基盘： 导师签名：必 日期：地生李胡! w 日期：咝：11 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题意义 1 1 1 研究目的 由于各种各样的原因，石油、天然气输送管线不可避免地会产生一定 的机械损伤，如凹坑( d e n t s ) 、刻槽( g o u g e s ) ，这些机械损伤是天然气输送管 线在波动压力下产生疲劳失效的基本原因，也是石油、天然气输送管线产生 失效和泄露的基本原因之一【卜4 1 。 输送管线因各种原因产生这些机械损伤后，在以下几个方面对管线钢 有影响：其一是改变管线表面几何，使管线在内压作用下产生应力集中，局 部的应力接近或超过管线钢的屈服强度p , 6 l ；其二是导致管线局部产生较大 的塑性变形，产生机械损伤，但同时局部材料会产生加工硬化，由于管线钢 屈强比高，大多在0 8 5 以上，主要以塑性变形引起的机械损伤为主，导致 管线局部材料疲劳性能退化7 ；其三是产生残余应力，一般残余压应力会提 高疲劳性能8 ，9 ，1 0 1 。 因输送内压的波动，管线还将承受疲劳应力的作用。资料显示，气管的 最小与最大内压比为0 7 ，油管的最小与最大内压比0 4 5 】。由于管线存在 凹坑等机械损伤，在内压的波动下会在这些机械损伤部位产生严重的疲劳， 导致管线局部过早产生疲劳失效，引起管线的泄露 1 2 , 1 3 1 。因此，含有凹坑型 机械损伤管线的疲劳问题已经引起重视 1 4 1 。 管线疲劳失效是由于局部的机械损伤和波动的内压所引起的，而局部的 机械损伤对管线疲劳寿命的影响比较复杂，要对凹坑型机械损伤对管线疲劳 性能影响做出精确的评估，必须深入研究凹坑对管线疲劳寿命的影响规律。 因此，开展含有凹坑表面损伤管线疲劳寿命定量规律研究具有重要的理 论和工程实用价值。 1 1 2 研究意义 本课题研究的意义在于，为含有凹坑型机械损伤管线安全评价及凹坑型 机械损伤对管线的危害评价提供基本的数据和可靠的分析方法，为解决和控 制管线产生凹坑型机械损伤后的疲劳断裂问题提供可靠的科学依据。因此， 两安石油大学硕士学位论文 开展管线钢含有凹坑型机械损伤疲劳定量规律研究，不仅具有较高的学术价 值，而且具有一定的经济和社会效益。 1 1 3 课题来源 本课题为中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室 基金项目( n o z y 卜0 2 叭1 。 1 2 研究现状 1 2 1 疲劳研究的目的和内容 自从德国工程师a w o l d e r 试验测定第一条疲劳曲线，开创现代疲劳研 究以来，已有i 0 0 多年的历史。然而，疲劳研究，尤其是在各种情况下不同 材料的疲劳寿命预测，仍是广泛受到重视的课题【1 5 】。疲劳失效是机械和结构 零件常见的失效形式，约占机械事故的5 0 以上f 1 6 , 1 7 ，其危害往往是灾难性 的。世界上第一架民用喷气飞机“彗星号”的系列失事事实清楚地说明了 这点【1 8 1 。 为保证机械和结构在服役期内的安全运行，需要从力学、材料与工艺、 结构设计、应用数学以及力学等学科对疲劳失效问题进行多学科的综合研 究。疲劳研究的目的有二个【l 5 】： ( 1 ) 精确的估算机械和结构的寿命安全检修周期，是机械和结构在设计 预定的寿命周期内安全的运行，即所谓的定寿； f 2 ) 从构件的细节设计、材料选用、制造工艺优化、质量控制以及保养 维修等各个环节，采取有效而经济的技术与管理措施，以延长机械和结构的 使用寿命，即所谓的延寿。 因全尺寸结构在谱载荷下的疲劳试验要耗费大量的人力物力，时间长达 数年，所以简化疲劳试验也是理论研究的又一个重要问题。尤其是根据材料 的比较容易测定的力学性能( 如拉伸性能) 和微观结构参数，预测材料的疲劳 性能，是非常有意义的研究工作，长期以来受到国内外研究者的重视7 ，1 9 2 0 】。 这不仅可简化以至取代疲劳试验，节约大量的人力和物力，而且可用于生产 过程中监控产品的质量。 1 2 2 管线的服役条件和失效模式 西安石油大学硕士学位论文 a 油气输送管线服役条件石油管服役条件包括：载荷的性质( 静载荷、 冲击载荷、交变载荷、局部压入载荷等) ，加载次序( 载荷谱) ，应力状态f 拉、 压、弯、扭、剪切及其复合) ，以及工作温度和接触介质等。 油气输送管线的主要载荷是被输送的流体( 原油、成品油、天然气等) 的 压力。现代油气管线输送的发展大趋势是大管径、高压输送和海底管线厚壁 化【2 4 1 。提高输送工作压力、加大管线直径，不仅能提高输送效率，而且可节 约钢材，取得可观的经济效益。 油气输送管的疲劳断裂往往是由管线中的各种交变应力引起的，而这些 交变应力都来自于油气输送管的服役环境。其中有些来自于管内的输送压力 的波动和输送介质的分层结构，也有些来自于管线外部的变动载荷，如埋地 管线上车辆引起的振动、沼泽地管线浮力的波动、沙漠管线流沙的迁移、穿 越管段埋深不够形成的悬空段在水的冲击下产生的卡曼振动掣6 2 l 】。 并且，由于全世界对能源的需求不断增加，人们正在偏远地区寻找和开 发新的油气田，与此相配套的管道多是在气候恶劣、人烟稀少、地质地貌条 件极其复杂的地区建设。这些严酷的地域、气候条件不但给长输管线的施工 造成困难，而且对管线钢的性能，尤其是管线钢的低温韧性和韧脆转变特性 提出了更高的要求【6 ，2 2 1 。 b 油气输送管线失效模式油气输送管线的主要失效模式是断裂和腐 蚀 2 5 。 ( 1 ) 断裂 脆性断裂：当管材的断口形貌转化温度( f a t t ) 高于管线的工作温度 时，一旦发生断裂即是脆性断裂。其断口以解理或准解理为主。这种断裂的 危害是十分巨大的，随着冶金技术和焊接技术的提高，这种形式的断裂已越 来越少。 延性断裂：这是当前管线最主要的断裂形式。断口以剪切断面为主。 疲劳断裂：由于内压或外力的变化，交变应力在服役的管线上是普 遍存在的。疲劳断裂是管线的一种主要失效模式。 应力腐蚀和氢致开裂：输送天然气时，h 2 s 含量超过规定值并且含 西安石油大学硕士学位论文 有水分，引起氢致开裂( h i c ) 或应力腐蚀破裂( s c c l 。 ( 2 ) 腐蚀 腐蚀约占管线失效的5 0 ，它包括流体中含有的服饰介质( h ：s 、c o ： 等) 对管线内表面的腐蚀及土壤对管线外表面的腐蚀 2 3 , 2 4 1 。 1 2 3 疲劳裂纹起始 最近3 0 年来，疲劳研究以显示出巨大的、不断增长的活力。现在已广 泛采用应力寿命法和应变寿命法来研究循环损伤 1 5 。 a 疲劳过程的阶段划分从工程应用角度出发，可将试件和零件的疲劳 失效过程划分为四个阶段：( 1 ) 疲劳硬化( 或软化) ；( 2 ) 可检测的工程尺度的 疲劳裂纹形成；( 3 ) 疲劳裂纹由初始尺寸口i 扩展到临界尺寸a 。；( 4 ) 当疲劳裂 纹扩展到其临界尺寸时，引起试件和零件的最终断裂和失效2 5 1 。上述的四个 阶段是互相联系的，有时是部分重迭的。图1 1 示意的表现出疲劳过程的阶 段性。 例 犟 制 氆 ，蟠 r 谨 图1 _ 1 疲劳过程的阶段划分” 当金属材料承受变动载荷时，其组织与性能要发生变化，如硬化( 或软 化) 现象等。开始时，这些变化在受载金属中均匀的发生，。当循环周次达到 一定的数值时，某些变化集中在局部区域中进行，使这部分材料发生分离， 即萌生微观的疲劳裂纹。在大多数情况下，疲劳裂纹总是在材料的表面产生， 取决于材料的显微组织、夹杂物等。 裂纹一旦萌生，疲劳行为就由材料的整个体积转移到裂纹尖端的局部区 西安石油大学硕士学位论文 域，也就是说，裂纹尖端的塑性区对疲劳过程起决定性的作用。以后的过程 称为疲劳裂纹稳定扩展( 也称亚临界扩展) 阶段，在这一阶段，疲劳裂纹长度 随着循环周次相对缓慢的增大，达到某一临界值后，就发生裂纹的失稳扩展， 即迅速扩展使试样突然断裂。 b 疲劳裂纹萌生的定义目前，对于疲劳裂纹的萌生还没有个统一的 定义2 6 1 。 首先，不同的学科所感兴趣的裂纹大小不同。例如，从材料科学和金属 物理的角度来看，疲劳裂纹萌生定义为在循环载荷下产生了1 0 u m 或更小的 裂纹时的循环载荷数。从机械工程的角度来看，萌生裂纹的长度可增大l 至2 个数量级。 从实际测试和观察的角度来定义时，根据采用的工具或手段，萌生裂纹 的长度也不尽一致。例如用电子显微镜可以检测出1 0 0 0 a 左右的疲劳裂纹。 目前用电位法所能测出的内部裂纹，尺寸就要大得多。在航空工业中，美国 p & w 公司把o 7 5 m m 的裂纹定义为萌生长度；而英国r r 公司所规定的长 度为0 1 5 o 5 m m 。 c 从滑移带萌生疲劳裂纹的模型 从滑移带萌生疲劳裂纹最一般的方 式是从驻留滑移带的表面粗糙处萌生。图1 2 表示因交滑移在试样表面形成 的“挤出”和“侵入”。 表 1 。 2 图卜2 驻留滑移带引起表面肿胀而导致裂纹成核。” 5 西安石油大学硕士学位论文 有人提出驻留滑移带形成“肿胀”挤出的颏概念【2 7 1 。在稳态形变。即饱 和阶段，主要的位错过程是螺旋位错和刃型位错在驻留滑移带内的运动和相 消。这导致两个结果：其一驻留滑移带内形成高密度的空位，造成驻留滑移 带向自由表面“肿胀”而形成挤出；其二是螺型位错的往返滑移和连续相消， 在基础的驻留滑移带上形成滑移台阶。当存在工程应力集中时，疲劳裂纹在 侵入表面的谷内沿驻留滑移带基体界面萌生。在界面处位错密度越高，切 变抗力越大，而正变抗力越低。受到i 型应力集中容易开裂，而后转为i i 型 应力集中。 一个试样上驻留滑移带很多，并非每一个都可以成长为裂纹【30 1 。通过对 铜单晶试样上驻留滑移带中的应变测量，发现它并不等于循环应力一应变曲 线平台的上限应变，而是存在着某种分布。裂纹是在集中了最高应变的所谓 “致命性带( f a t a lb a n d ) 内萌生【2 8 l 。这种滑移带的滑移变形最严重口卦。 1 2 4 疲劳裂纹扩展 循环受载的构件的总寿命由裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段组成。对疲劳 裂纹扩展的研究，主要是考察在循环载荷作用下，金属中的裂纹如何扩展。 研究内容主要有：疲劳裂纹扩展的一般规律、微观机制、力学模型以及各种 因素对疲劳裂纹扩展的影响1 1 5 1 。 a 疲劳裂纹扩展的描述受恒幅应力反复作用的疲劳试样，其裂纹扩展 速度可以用裂纹长度在每个循环中的增量d a d n 来表示。疲劳设计的个目 标是建立一种利用适当的载荷参量来描述裂纹扩展速率的可靠方法，在不同 的外加应力条件下，在不同的裂纹几何条件下，该方法都能对材料抵抗疲劳 裂纹扩展的内在抗力进行定量化，但至今为止，仍然还没有一个公式适用于 各种不同显微组织的金属材料【l 9 。 当施加在零件上的疲劳应力足够小，扩展疲劳裂纹前端的塑性形变区对 弹性应力场的干扰很微弱时，可以用线弹性断裂力学解来对疲劳断裂做合理 的连续介质描述。p a r i s ，g o m e z & a n d e r s o n ( 1 9 6 1 ) 和p a r i s & e r d o g a n ( 1 9 6 3 ) 建议， 对疲劳裂纹扩展速率曲线进行线弹性断裂力学描述，应用应力强度因子范围 a k = k 一一k 。 ( 1 - 1 ) 西安石油大学硕士学位论文 式中，。和m 分别为一个疲劳应力循环中的应力强度因子的最大值和最 小值。p a r i s ，g o m e z & a n d e r s o n ( 1 9 6 1 ) 和p a r i s & e r d o g a n ( 1 9 6 3 ) 指出，疲劳裂纹 扩展速率d a d n 预应力强度因子范围成幂律关系 d a d n = c ( 斌y ( 1 2 ) 式中，c 、m 为拟合常数，材料的微观组织结构、循环加载的频率和波形、 环境、温度及载荷比尺对c 和m 都有影响2 9 1 。但该式认为：只有循环载荷 的拉伸部分对疲劳损伤有贡献，以及只有当循环载荷降到零时。裂纹尖端才 闭合等等。 1 9 7 0 年，e l b e r 发现即使是在拉拉循环载荷作用下，扩展的疲劳裂纹尾 迹上残留的塑性变形也将导致裂纹部分闭合，并建议依此对p a r i s 公式进行 修正，以减少实验数据的分散程度。修正后的公式如下 驯d n = c 0 世y( 1 _ 3 ) 式中，“= a k 。t t 足为有效应力强度因子幅值比，而k 口= 如。一，是对应 于循环载荷中裂纹张开时的应力强度因子。通过对带有中心裂纹的薄板试件 进行裂纹扩展实验，e l b e r 提出甜仅是应力比r 的函数，并可用以下公式计 算 “= 0 5 + o a r ，一0 1 月o 7 ( 1 4 ) 自从e l b e r 发现疲劳裂纹闭合效应后，人们对闭合现象( 包括上述公式 ( 1 4 ) ) 进行了大量的实验研究、理论分析和数值模拟。研究结果表明，裂纹闭 合效应在金属疲劳破坏中，确有着十分重要的作用。从连续介质力学的角度 看，循环塑性变形是造成疲劳损伤的根本原因m l 。循环载荷下，材料的循环 塑性变形，将导致材料的循环硬化或循环软化。即使在小范围屈服情况下， 材料的循环硬化和循环软化对疲劳裂纹的亚临界扩展仍有着重要的影响。显 然对这些问题的研究将深化人们对疲劳裂纹扩展机理的理解。 b 疲劳裂纹扩展的不同区段稳态疲劳裂纹扩展服从p a r i s 幂律关系， 即l o g d a d n 随l o g a k 呈线性变化，但它只适用于合金裂纹扩展阻力曲线中 的一段。当趸值低于或高于p a r i s 区的k 时，随k 的增加疲劳裂纹扩 展速率急剧上升 1 5 , 18 1 。大多数工程合金的l o g d a d n l o g k 曲线呈现图1 3 醒安石油大学硕士学位论文 一 所示的s 形变化规律。 图卜3 裂纹稳态扩展不同区段的图示说明“。1 三个稳态疲劳裂纹扩展区段中的裂纹扩展特征见表1 1 。 表卜1 三个疲劳扩展区段的特征 区段abc 低扩展速率区中等扩展速率区离扩展速率 术语 ( 近门槛值区)( p a r i s 区) 阪 第1 i 阶段附加静态模 微观失效模式第1 阶段单剪切 辉纹和双滑移式 附加解理或 断口形貌小平面或锯齿形带小波纹的平面型 微孔洞聚集 裂纹闭合程度高低 微观组织的影响大小大 载荷比的影响大小大 环境的影响大小 应力状态的影响大大 近顶端塑性区+嚷r e 畋t 畋 t 在介质、载荷比和频率的某些组合条件下裂纹扩展有大的影响。 + k 和喀分别指循环塑性区尺寸和晶粒尺寸e 在a 区即近门槛区，疲劳裂纹扩展速率随应力强度因子范围的降低而 西安石油大学硕士学位论文 迅速的下降，直到d a d n o ，与此相对应的k 值，称为疲劳裂纹门槛值， 记为a k 。理想的k 是指当k 时，d a d n o 。试验测定的裂纹 扩展门槛值是指在给定裂纹扩展速率下的k 。例如，如果裂纹长度的测量 精度至少为o i m m ，并且至少经历1 0 7 疲劳循环也未监i i i ! i 裂纹扩展，那么 就可认为达到了裂纹扩展的门槛值“川。在a 区，裂纹扩展速率受到材料 的显微组织、应力比和环境的强烈影响 7 , 3 2 , 3 3 】。 在b 区即中部区，即通常相应于d a d n = 1 0 - 5 1 0 - 3 r a m ( c y c l e 的范围。在中 部区，疲劳裂纹扩展速率可用著名的p a r i s 公式( 式( 1 2 ) ) 计算。一般的，中 部区的疲劳裂纹扩展速率对显微组织、平均应力和试件的厚度因素的影响不 敏感【3 4 j 。 在c 区即裂纹快速扩展区，d a d n 1 0 r a m c y c l e ，且随世的升高，裂 纹扩展速率迅速升高。这时裂纹扩展速率对微观组织、载荷比和应力状态( 平 面应力加载和平面应变加载) 也相当敏感。 c 疲劳裂纹扩展的微观阶段相对于特征微观结构尺度的裂尖塑性尺 寸以及金属材料的微观结构，都会使疲劳裂纹扩展的微观机制发生很大的变 化。在许多延性固体中以观测到，当裂纹尖端塑性变形区的尺寸大体上小于 几个晶粒直径时变形局限于单滑移系统。疲劳裂纹沿主滑移面伴随着结晶学 的断裂而向前增长，形成微观尺度上的大锯齿式小平面的断裂形貌。这一阶 段的裂纹扩展被f o r s y t h ( 1 9 6 2 ) 称为裂纹扩展的第一阶段。在金属材料的近门 槛疲劳区( 在统区范围内，应力强度因子较小不足以引起裂纹尖端明显的塑 性变形，塑性尺寸一般小于晶粒尺寸) 或有自由表面萌生的短裂缝的情况下 通常观察到这种失效类型【9 】。 当塑性区尺寸远大于晶粒直径时，由于两个不同的滑移系统中协同或交 替滑移的结果，出现了一种不同的疲劳裂纹断裂模式( n u m a n n ，1 9 6 9 ) 。这时， 疲劳裂纹的宏观路径大体上垂直于拉伸载荷轴。图1 - 4 示出了疲劳裂纹前方 的双滑移过程( f o r s y t h 定义为疲劳的第二阶段，1 9 6 2 ) 幂1 沿结晶学平面以“拉 链式”发生断裂的示意图。在微观尺度上，这种循环滑移过程在断裂表面上 显示出特殊的“波纹形”痕迹，即众所周知的疲劳“条带”。 两安石油大学硕士学位论文 口臼圈凼凶凶凶 凶凶凶凶凶囡凼圜 图卜4 通过双滑移的疲劳裂纹扩展( n e u m a n ，1 9 6 9 ) l a i d ( 1 9 6 7 ) 提出了描述疲劳裂纹扩展第二阶段的裂纹尖端连续钝化再锐 化模型3 5 3 6 1 。该模型认为，在疲劳循环的拉伸阶段，裂纹以相当于裂尖张开 位移的量级有效地向前扩展。反向加载时，使裂尖锐化，直到下一次拉伸载 荷期间裂纹才又重新钝化，如图1 5 所示。 图卜5用过裂尖钝化再锐化而进行的疲劳裂纹扩展示意图 箭头表示滑移方向( l a ir d ，1 9 6 7 ) 铷 左( 从上到下) ：霉载、拉伸载荷和最大拉伸载荷 右( 从上到下) ：卸载、压缩载荷和下一次疲劳循环 条带的形成受环境的影响很大，如果疲劳循环加载拉伸阶段在裂尖形成 的新鲜滑移台阶受到氧化或化学侵蚀，那么当载荷反复时滑移运动的可逆性 将受到阻碍。因而条带间距和每循环裂纹前进的速率将受到环境的影响。 d 疲劳裂纹扩展速率表达式典型实用的疲劳裂纹扩展速率表达式有 四类： 薹 ； 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) p a r i s 公式，即式( 1 2 ) ，它只适用于中部区。因此当含裂纹构件承受 高的a k 值，且寿命较短的情况下，可用p a r i s 公式估算寿命，在估算含有 裂纹构件的剩余寿命时，也可采用p a r i s 公式 3 7 】。 ( 2 ) f o n n a n 公式，其一般形式如下 d a d n = c k h l ( 1 一r 弘一k ( 1 5 ) 该公式的优点是表明了应力比r 的影响。试件或构件疲劳断裂的条件，即 当五，_ ( 1 一只) 丘时，d a j d n 一0 。它适用于裂纹扩展的中部区和快速扩展区即 b 区和c 区 3 8 , 3 9 。 ( 3 ) 表明裂纹扩展门槛值存在的裂纹扩展速率表达式 d a d n = b ( k 一如广( 1 6 ) 式中b 、m 也是根据实验结果拟合得到的常数，没有明确的物理意义。它适 用裂纹扩展的近门槛区，在估算受低a k 的含裂纹构件的寿命时，可得到精 确的结果。 f 4 ) 描述整个裂纹扩展速率曲线，包括a 、b 、c 三个区。其形式如下 d a d n = 粼( 1 - 7 ) 1 2 5 预变形对金属材料性能的影响 研究表明，预应变对材料的疲劳行为是有一定影响的，这种影响包括增 强效应和损伤效应两个方面。 a 预应变的增强效应有人曾经研究了汽车板弹簧预应变对疲劳性能 的影响，当预应变g 。 l 后， 可以提高汽车板弹簧的疲劳寿命。用显微硬度、d s c 等分析手段，研究了 不同时效工艺及预拉伸工艺对新型铝合金车身板材的强化相析出过程及力 学性能的影响，见图1 - 6 、1 - 7 。可得出以下结论： ( 1 ) 合金板材的综合性能优良，超过了美国同类合金的力学性能： ( 2 ) 预拉伸提高了强度，尤其是屈服强度。 ( 3 ) 模拟烘烤时，预时效加预拉伸后的力学性能最好，试样预时效加预 西安石油大学硕士学位论文 拉伸后的屈服强度比预时效前高3 0 m p a ，比没有预拉伸的试样分别高9 0 m p a ，同时试样保持了较高的延伸率； ( 4 ) 预拉伸增加强度是由于形变强化和附加的沉淀强化作用，其中附加 的沉淀强化起主要作用。从图1 6 可见，自然时效状态下，预拉伸增加的强 度幅度是有限的，而经过模拟烘烤后强度却有大幅度的增加，说明预拉伸有 利于产生更多的强化相，即预拉伸过程中产生了更多的p ”相晶核。因为变 形过程中必然导致位错数量的增加，所以p ”相晶核的增加应该与位错有 关，这可利用电镜得到证实； r 5 ) 从图1 7 硬度曲线看，预拉伸缩短了达到峰值硬度的时间，硬度值 也有所提高。这也说明了预拉伸有利于口”相晶核的增加。 图1 6 预时效和预拉伸对试样力学性能的影响 1 、n a t u r a l a g i n g ( 1 1 l 然时效态) 2 、5 变形计q a 3 、15 0 。c 1 5 m i n + n a + 模拟烘烤4 、1 5 0 。c 5 m i n + 5 变形+ n a + 模拟烘烤 5 、a r t i f i c i a la g i n g ( 人工时效态) 图1 - 7 预拉伸对试样自然时效硬度曲线的影响4 q 1 2 西安石油大学硕士学位论文 一般的看法是，因预应变而产生的残余压应力是疲劳抗力提高的原因。 因为残余应力与 t - ) j h 载荷的叠加，可使实际作用于结构的载荷水平有定程 度的降低，且残余压应力可抑制或延缓裂纹的萌生，并对裂纹有一定的闭合 作用。但是，这仅仅是从力学角度获得的一个方面的认识，还应从其内部组 织结构甚至分子运动的层面进行分析。 在物体中存在着各分子之间的相互吸引、相互排斥的作用力。这种作用 力包括两部分：一部分是物体固有的内力或称内聚力，其作用是使物体内部 的各分子维持在一定的平衡位置，保持物体一定的形状和尺寸：另一部分是 物体在外力作用下，由于分子间的相对位置发生改变而产生的分子力的改变 量，称为附加内力。附加内力与构件的变形和强度密切相关。当物体受到拉 伸时，物体内部分子之间的距离沿拉伸方向增大，各分子之间的相互吸力、 斥力同时减小，由于斥力变化的速度、减小的程度都相对较大，故此时的附 加内力表现为引力。这一引力可抑制i 型裂纹( 张开型) 的萌生和扩展，并对 裂纹有一定的闭合作用，从而延长结构的使用寿命。 b 预应变的损伤效应事物总是一分为二的，当预应变的水平比较低 时，可提高疲劳抗力、延长疲劳寿命。但是，当预应变的水平比较高时，反 而会加速材料疲劳损伤进程，降低疲劳寿命 t o , 4 0 。 在疲劳条件下，尤其是在低周疲劳条件下，疲劳寿命l 与循环塑性指 标有关。材料的循环塑性指标用占：衡量是按一级近似 s j = 占， ( 1 - 8 ) 在无预应变条件下，塑性应变积累可表示为 2 = s j ( 1 _ 9 ) l 而在有预应变条件下则可表示为 s ，+ q 2 = s j ( 1 _ 1 0 ) l 在上述式( 1 8 ) 、( 1 9 ) 、( 1 1 0 ) 中，s j 、8 ，、s ，。分别表示疲劳塑 性系数、材料的极限塑性、循环塑性应变幅、预应变。 i3 西安石油大学硕士学位论文 比较式( 1 9 ) 和式( 1 一l o ) 矾w ，在有预应变且水平较高( s 。较大) 的条件下， 材料的很大一部分塑性将消耗在预应变过程中，从而导致材料疲劳耐力的降 低。大的预应变后疲劳损伤的加速应归因于预应变过程中材料内部产生的微 孔开裂( 疲劳微裂纹) ，它大大缩短了裂纹形成期，并极有可能使裂纹直接进入 扩展阶段。在较大的预应变过程中，材料内部的微孔开裂现象同样可用附加 内力及其变化加以解释。前已述及，物体内部分子之间的距离增大时，附加 内力表现为引力。当预应变的水平较高时，由于物体内部分子之间的距离有 比较明显的增大，各分子之间的相互引力、斥力的减小程度也相应较大，故 此时的附加内力值较小，换句话说，“剩余强度”很有限，材料的疲劳抗力 大大降低。 另外，当预应变较大时，在构件塑性区以外的弹性区存在较大的拉应力。 曾对经表面形变强化的光滑试样与未经强化的光滑试样在轴向拉压疲劳载 荷下的寿命进行了对比研究，结果表明【8 ，1 0 j ，经表面形变强化的光滑试样在 轴向拉压疲劳载荷下的寿命低于未经强化的光滑试样，这是因为经表面形变 强化的光滑试样在表面以下的一定深度存在残余拉应力，这部分应力与外载 叠加作用易于萌生次表面裂纹而导致构件失效。这一结果说明，残余拉应力 的存在将对疲劳寿命产生不利的影响。所以，预应变水平不可过大，过大的 预应变不仅不能提高构件的疲劳寿命，反而会导致疲劳寿命的降低，这正是 预应变损伤效应的表现。 总之，增强效应和损伤效应是预应变这一措施的两个不同的方面。当预 应变水平较低时，增强效应占优，有利于提高疲劳寿命；反之，损伤效应是 主要的，会导致疲劳寿命降低。 1 3 本章结论 1 疲劳失效可分为疲劳裂纹起始和疲劳裂纹扩展两部分。 2 油气输送管线发展需求和其服役环境决定了管线钢研究飞速发展， 各种外力损伤情况下管线疲劳寿命的估算方法仍在研究之中。 3 预应变对材料的疲劳行为有增强效应和损伤效应两个方面的影响。 第二章疲劳裂纹扩展速率测试系统 第二章疲劳裂纹扩展速率测试系统 2 1 疲劳裂纹扩展测试原理与测试装置 对疲劳裂纹扩展的研究，主要是考察在波动载荷作用下，金属材料的裂 纹如何扩展。在绝大多数工程结构应用中，构件的疲劳损伤是由循环作用的 应力和外界环境因素共同作用的结果。疲劳裂纹扩展数据是评估结构完整性、 耐久性和可靠性以及优化结构设计的重要依据。 在疲劳条件下，直接采用显微镜测量裂纹长度虽然可以，但用这种方法 很不方便，通常采用间接的方法测量裂纹长度，主要有电位法、柔度法和激 光散斑法。相比而言，电位法具有简单、精度高的特点，并能通过计算机连 续测量和数据处理【4 “。 电位法的原理为：给疲劳试件通直流电，当裂纹扩展时，试件韧带的截 面面积减少，试件电阻增大，试件检测裂纹嘴两端电位差的变化值，依据裂 纹长度与裂纹嘴两端电位差的函数关系，将电位差转换为裂纹的扩展长度。 裂纹长度与裂纹嘴两端电位差的函数关系，或称电位函数，可通过实际标定 或边界元计算给出。 图2 1 是测试系统的硬件方框图。探测电位由数据放大器放大1 0 0 0 倍， 再进行a d 转换，最后在计算机上显示和监测。 敬据敲犬器 试样 图2 1暖秀裂纹测试系统不熏图 试验装置为国产高频疲劳试验机。为了提高电位法测试精度，疲劳机机 架不宜作为一个导电通路，为此必须将夹具设计成绝缘夹具。 2 2 疲劳裂纹扩展电位采集与裂纹监测 试验采用直流电位法，从恒流源输出的电流从试样近孔顶端部输入，在 裂纹嘴边进行探测。由文献【4 2 】、 4 3 】可知，这是最佳的电位探测方案。图2 2 西安石油大学硕士学位论文 是试验采用的单边裂纹试样电位采集示意图。采集电位数据后，基于电位函 数a 锄w v o ，( d o 初始裂纹长度；一初始电位值；口裂纹长度增 量；卜电位增量) ，采用三次样条函数插值，将电位换算成对应的裂纹长 度。实时显示裂纹长度变化曲线，对裂纹萌生与扩展过程进行全局趋势曲线 监测，同时用数值窗口技术对裂纹进行瞬时长度监测。 l o 。 o 图2 - 2 试验用单边裂纹试样电位采集不惹图 2 3 疲劳裂纹扩展速率测量 裂纹扩展实验时，要测定近门槛区的裂纹扩展速率，采用恒载试验比较 困难，通常采用所谓的降载法。 降载法是测量裂纹扩展门槛值和近门槛区裂纹扩展速率的有效方法。其 思路是：从某一载荷或应力强度因子幅鳗对于裂纹扩展速率约在1 0 s m c y c l e ) 开始，逐级降载到裂纹扩展速率小于1 0 。1 0 m c y c l e ( 或等于1 0 1 1 m c y c l e ) 。然后， 逐级升载到裂纹扩展速率约在1 0 。8 m c y c l e 时，进行恒载试验直到试件断裂。 降载时，每级载荷降低的幅度不超过1 0 。同时，应该严格选择降载时 每级载荷下的裂纹扩展量a 。 试验中应遵循下述原则： f 1 ) 当前载荷级的裂纹扩展量应为前一级载荷塑性区的3 5 倍，以消除 前一级高载所产生的超载效应。 r 2 ) 当前载荷级下的裂纹扩展量选择不能过大，否则试验时间过长。 对每级降载，要估算前一级载荷下的塑性区b 的大小。对平面应变，可 由下式估算塑性区的大小【4 州 两安石油大学硕士学位论文 。= 等( 2 - 1 ) ”6 舾2 1 j 式中，。为最大载荷对应的裂尖应力强度因子。 2 4 疲劳裂纹扩展速率数据处理 裂纹扩展试验的数据处理的目的主要是获得裂纹扩展速率、门